Analysis of the extreme temperature stress responses in Chinese cabbage

Abstract

고착생물체인 식물은 온도스트레스 같은 다양한 환경스트레스를 피할 수 없다. 이번 연구에서는 배추에 있어서의 극단적인 온도 스트레스의 분자적인 원인을 이해하기 위해서 첫 번째 단계로, 스트레스 조건하에서 유전자 발현추이를 분석하고, 다양한 생물정보학적 수단을 사용하여 몇몇 관련 식물 사이의 유전자 발현 패턴의 차이를 비교했다. 저온 스트레스 하에서 배추의 유전자 발현 추이는 특수화 된 1.6K microarray를 이용하여 감시되었다. 총 90개의 microarray 실험 자료가 확보되었고 유전자 발현 패턴의 특징과 차이점은 브로콜리, 양배추, 유채를 포함한 몇몇 관계된 십자화과 식물의 것들과 비교되었다. 첫째, clustering 결과에서, 배추는 유채와 가까이 묶였다. 그 다음엔 양배추와 브로콜리가 묶였다. 두 번째, 비교분석에서는 몇몇 저온스트레스관련 유전자 세트를 포함한 많은 유전자 세트들이 브로콜리에서 풍부했다. 아마도 브로콜리는 배추보다 저온스트레스에 대해서 내성이 있는 것 같다. 몇몇 유전자 세트들이 양배추와 유채에서 풍부했지만, 이들은 브로콜리에 비해 배추와 비슷한 내성을 갖고 있는 것 같다. 이 결과는 알려진 저온내성 정도와 동일했다. 배추의 고온 스트레스 반응 기작을 연구하기 위해서, oligonucleotide microarray를 사용하여 유전자 발현추이를 살펴보았다. 분석을 위해서 처리 전 시료와 처리 후 시료의 비교 분석이 수행되었다. 처리된 배추에서는 스트레스, 신호(signaling) 관련 유전자의 발현이 증가되었고, 세포벽관련(cell wall), 지질대사(lipid metabolism), 광합성관련 유전자의 발현이 감소되었다. 배추에서, 저온스트레스반응과 고온스트레스 반응의 비교분석에 있어서는, 저온스트레스와 고온스트레스에 의한 유전자 발현 추이가 다름을 알았다. 건조스트레스 관련 유전자를 포함한 몇몇 유전자들이 두 스트레스에서 공통으로 유도되었다. 두 스트레스에 의해 영향 받은 유전자의 수는 적은 부분을 차지하였다. 아마도 저온스트레스와 고온 스트레스는 스트레스 반응에 있어서 관계가 먼 것 같다.;Plants as sessile organism cannot escape from various environmental stresses, such as temperature stress. In this study, as a first step to understand the molecular background of extreme temperature stress in Chinese cabbage the gene expression profiles under stress condition were analyzed and the differences of gene expression pattern among several related plants were compared using various bioinformatics tools. The gene expression profiles of Chinese cabbages under cold stress were monitored using a specialized 1.6K cDNA microarray. Total 90 microarray expression data were obtained and the characteristics and differences of gene expression pattern were compared with those of several related Brassicaceae plants including Broccoli, White cabbage, and Rapeseed. First, in the clustering result, Chinese cabbages were closely clustered with Rapeseed. Subsequently, White cabbage and Broccoli were clustered. Second, in comparative analyses with other related plants, a number of gene sets containing several cold stress related gene sets were enriched in Broccoli. Maybe Broccoli were likely to be more tolerant than Chinese cabbage to cold stress. Several gene sets were enriched in White cabbage and Rapeseed, but White cabbage and Rapeseed may have similar tolerance to cold stress with Chinese cabbage compared to Broccoli. This result was equaled with known extent of tolerance to cold stress. To study the heat stress response mechanisms in Chinese cabbage, gene expression profiles were examined using oligonucleotide microarray. For analyses, comparative analysis of non-treated and treated sample was performed. In the treated Chinese cabbage, the levels of stress and signaling were up-regulated and the levels of cell wall, lipid metabolism, and PS were down-regulated. In comparative analysis of cold stress response and heat stress response in Chinese cabbage, gene expression patterns by cold and heat stress were different. Several genes including drought stress related genes commonly were induced by two stresses. The number of genes undergo influence by two stresses occupied a few part. Perhaps it seems that cold stress and heat stress have distant relation in stress response.